颗粒破碎对砂土剪切性质影响的离散单元研究

采用离散单元方法,建立了圆形颗粒、不破碎非圆形颗粒和破碎非圆形颗粒的数值试验模型,进行了砂土的双轴剪切试验,研究了颗粒破碎现象对砂土物理力学性质的影响,分析了颗粒破碎和颗粒形状对试样强度的影响以及围压对颗粒破碎性质的影响。研究结果表明：颗粒破碎现象严重影响砂土的峰值强度以及体积应变性质,并且低围压下颗粒形状对强度影响大于颗粒破碎,随着围压增大,颗粒破碎的影响逐渐增强;围压影响颗粒破碎发生的速率和最终的破碎率;由对颗粒破碎的位置和试样内位移场的追踪可得到颗粒破碎的细观演化规律及破碎带的分布范围,破碎带分布范围与围压有关。     

考虑颗粒破碎的粗粒土一维压缩试验离散元模拟

离散单元法被广泛地应用于颗粒破碎的问题研究中。利用离散元软件PFC-2D对粗粒土一维压缩试验进行数值模拟,可视化压缩过程中颗粒破碎情况和破碎规律。模拟得到了粗粒土一维压缩的log e-logσ曲线,探究初始粒径尺寸、颗粒间摩擦系数、颗粒破碎情况、颗粒破碎准则对于压缩特性的影响。随着初始粒径的增大,压缩系数增大,而屈服应力明显减小;随着颗粒间摩擦系数的增大,压缩系数增大,屈服应力减小;颗粒破碎情况对压缩曲线特性基本无影响;随着破碎准则中分维D的增大,压缩系数增大,屈服应力略有减小。考虑颗粒破碎的粗粒土一维压缩试验离散元模拟为研究压缩曲线的压缩特性提供了新方法,是对室内一维压缩试验的补充。     

应力路径对砂土剪切模量影响的颗粒流模拟

剪切模量是衡量土体变形能力大小的一个重要指标,影响土的剪切模量的因素有很多,如平均有效主应力,孔隙比,超固结比等。本文主要研究不同应力路径对砂土剪切模量的影响。基于颗粒流理论的离散元数值模拟,对于不同的固结方式和应力路径对剪切模量的影响进行了数值模拟,固结方式采用等压固结和K0固结,当平均应力达到150kPa,再沿着六条不同的应力路径进行剪切。研究表明,由固结方式不同造成的偏应力,影响了土的结构,导致K0固结后试样在压缩时配位数较低,孔隙率较大,剪切模量衰减程度较大,但当试样拉伸时,所得的结果刚好相反。当应力路径不同时,沿着均应力为正的应力路径,试样处于压缩阶段,配位数一直处于上升趋势,孔隙率降低,剪切模量衰减程度也随之减小。     

考虑颗粒破碎的砂土临界状态特性描述

近年来,随着土石坝和高填方等工程的兴建,粒状土得到了广泛的应用。粒状土在高应力作用下会发生颗粒破碎的现象相当严重,因此粒状土的颗粒破碎问题不容忽视。为了更合理地描述颗粒破碎对粒状土中砂土力学特性的影响,首先分析砂土试验结果,得出了砂土颗粒分别在平均正应力和剪应力作用下的破碎特性。其次,基于UH(unified haedening,统一硬化)模型,引入可以表示砂土压缩破碎和剪切破碎的相关参数,建立了可以考虑颗粒破碎的砂土本构模型。该模型不仅能够反映砂土的剪胀、剪缩、应变硬化和软化等特性,而且可以反映在平均正应力的作用下,不同的压缩曲线最终会归一的特点,同时还能够反映剪应力作用下砂土临界状态线下移的现象。最后,使用模型预测了Lade的常规三轴试验,模型预测结果与试验结果符合良好,说明该模型能够合理地描述砂土的力学特性。     

考虑颗粒破碎的粗粒料数值试验研究

粗粒料在外力作用下易发生颗粒破碎,对其力学性质有较大影响。为了从细观层面上分析颗粒破碎影响粗粒料力学特性的机理、研究影响颗粒破碎的因素,在二维颗粒流软件(PFC2D)中引入"簇颗粒"模拟颗粒破碎,对古水筑坝料进行一系列物理试验与数值试验对比,发现数值模型能较好地体现颗粒破碎特性。在轴向应力达到屈服应力后,颗粒破碎逐渐开始发生,之后破碎速度持续增长,颗粒间接触力的改变是导致颗粒破碎的主要原因。试验围压、颗粒形状、细观参数等均对颗粒破碎有一定影响。     

花岗岩三轴压缩颗粒流模拟研究初探

颗粒材料在外力作用下会发生一定的变形,颗粒内部产生一定的应力和应变,从而产生类似流体的运动。基于颗粒流理论,引入颗粒平行连接本构模型,建立了花岗岩的三轴压缩试验颗粒流数值模型。通过对颗粒流数值模型试验中的轴向偏应力的监测,得到了一定围压下颗粒流试样的应力应变关系、体积应变与轴向应变的关系,发现能较好的表征硬脆性岩石的力学特性。轴向应力先呈现线性递增到一定值,然后会随着试样的破坏而逐渐降低。从对PFC3D软件建立的花岗岩三轴压缩试验颗粒试样的分析来看,颗粒尺寸对数值颗粒试样的宏观特性有较大的影响。     

染色石膏颗粒一维压缩破碎与粒径迁移

为研究粒状岩土材料粒组层面的破碎与粒径迁移规律,采用人工制备的染色石膏颗粒,进行不同应力和级配的单粒组及多粒组等比例混合试样的一维压缩试验。采用人工识别和图像识别软件相结合的方法进行破碎后的颗粒分离,得到各粒组破碎后的级配,据此分析颗粒破碎过程中的粒径迁移模式、粒组的破碎概率以及破碎重叠效应。分析结果表明,颗粒破碎与粒径迁移模式为分步多次破碎、依粒组次序迁移,因而破碎后粒组的级配是连续不间断的。与单粒组级配试样中颗粒破碎概率随粒径减小而减小不同,多粒组级配试样中颗粒的破碎概率随粒径减小而增大(窄级配试样)或先增后减(宽级配试样),但较单粒组级配试样整体上有所下降。破碎重叠效应表现为各粒组颗粒的绝对破碎量远大于相对破碎量,且随着应力的增加和粒径的减小更加明显。最后基于粒度熵的概念,建立了可以反映破碎重叠效应的绝对破碎率。该试验结果亦可为颗粒破碎的数值模拟提供参考。     

煤矸石压缩试验的颗粒流模拟

 根据煤矸石颗粒材料的特点,采用三维颗粒流方法PFC3D的接触连接本构模型模拟煤矸石的压缩特性,再现其复杂的非线性本构关系。设计单一级配和泰波理论级配方案,并用Fish语言生成级配颗粒模型。对煤矸石的三轴压缩试验过程进行数值模拟,比较不同围压下的应力–应变曲线、体积应变曲线和微裂纹发展曲线,从细观角度验证不同级配煤矸石试样的强度及变形规律。研究结果显示,优化的级配方案能提高矸石的峰值强度,降低其压缩量,这对优化矸石充填的级配设计有一定的参考价值。     

考虑应力路径和颗粒破碎影响的钙质砂剪胀特性及剪胀方程研究

钙质砂的剪胀特性受应力路径和颗粒破碎的共同影响.为了探讨钙质砂在不同应力路径下的剪胀特性,进行了一系列不同固结压力和应力路径组合的排水三轴压缩试验.结果表明:应力路径和颗粒破碎对钙质砂的剪胀特性有重要影响.不同应力路径下钙质砂的剪胀比与应力比的关系存在显著差异.相同应力比下的剪胀比,等围压试验的最大,等轴向应力试验的最...     

砂土双轴试验的颗粒流模拟

采用颗粒流程序 ,对砂土试样的双轴试验进行了数值模拟。将数值计算结果和室内试验实测结果进行了比较 ,发现颗粒流方法能较好地模拟室内试验。通过改变计算模型中颗粒单元的性质 ,给出了在不同颗粒单元参数时砂土试样的宏观性质 ,其结果对研究土体的本构模型有一定的应用价值     

三轴应力路径下珊瑚砂的颗粒破碎模型

基于不同轴向应变下平行试样的三轴试验结果,分析了珊瑚砂在三轴排水与不排水条件下颗粒破碎随加载的演化过程,探讨了现有的颗粒破碎能量模型和基于应力的Hardin破碎模型的局限性.为了更好地分析颗粒破碎中间发展过程的特征,将引起颗粒破碎的机制分解为压缩和剪切两部分,并分别建立了与之相对应的破碎模型.压缩机制是指在等应力比条件...     

钙质砂和石英砂压缩下的颗粒破碎与形状演化

颗粒破碎现象对土体力学性能具有显著影响。以往关于颗粒破碎的研究多关注于粒径的变化,忽视了颗粒形状的变化。为研究破碎过程中颗粒形状的演化规律,开展了钙质砂和石英砂的侧限压缩试验,对试验过程中颗粒形状参数的进行了量化研究。结果表明两种砂土的相对破碎率均随着单位体积塑性功的增加而增加,表现出明显的双曲线关系。钙质砂的长径比、球形度和圆度会随着破碎程度的增加而增加,凸度变化不明显;随破碎量的增加,石英砂颗粒的长径比和球形度先减少后增加,凸度持续减少至稳定,球形度持续增加。通过定义试样整体的形状值能很好的量化颗粒形状的变化规律。并且钙质砂整体形状值与相对破碎率满足双曲线关系,石英砂则为抛物线关系。     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

静压桩在砂土沉桩过程中桩周土应力-位移场变化规律的颗粒流数值模拟

利用颗粒流理论及PFC2D程序,模拟静压桩的打入过程,分析了打入过程中土体颗粒的结构排列、桩周土体的位移和应力的变化,并绘出应力场和位移场的等值线图,根据应力-位移场将土体的运动分成三个区域。     

盾构隧道垂直土压力松动效应的颗粒流模拟

通过对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果,确定了颗粒流模拟砂土的细观参数;通过对室内挡板下落试验的颗粒流数值模拟,验证了颗粒流模拟土拱效应的可行性。在此基础上对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟,分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。结果表明,土拱效应主要发生在隧道上部1～2倍隧道直径的范围内,隧道顶部土体通过土拱效应可大幅度减少作用在隧道上的土压力。     

考虑不同成桩方式单桩特性的颗粒流数值模拟

采用基于离散单元法的颗粒流数值技术对砂土中(无黏聚力)设置就位后单桩在使用阶段的承载特性进行了数值模拟。对应工程中的挤土桩与非挤土桩,按照桩设置的不同方式研究并对比了静压沉桩方式与预埋式两种不同单桩在就位后的工作特性,对两种成桩方式下桩–土–筏板的共同作用特性也略作了比较。分析中,克服传统的连续介质力学模型的宏观连续性假设,研究加载过程中桩体力学行为表现与桩周土体的细观结构参数反应的联系,增进了对桩基工程承载特性与土体渐进破坏演变过程的深入理解。此外,将模型试验与数值模拟结果作了对比分析,桩端荷载–位移曲线特征有较好的一致性。     

高填路基盖板涵外界面受力状态形成机制研究

依据原位试验和数值模拟研究高填路基盖板涵外界面受力状态形成机制。结果表明:涵洞顶面压力大于上覆填土自重,呈非均匀分布形式,涵洞侧墙顶相对于顶板中部承受更大的压力,侧墙主要承担了来自两侧填土的附加压力;涵洞侧墙外水平压力远小于按土柱高度换算的静止土压力,涵洞地基的不均一地质条件导致涵洞单侧承受相对较大的水平力;涵土差异沉降导致涵洞体承担了大于上覆填土自重的压力,基底的不均匀沉降引起涵顶压力向一侧集中,侧墙外压力和基底压力非对称分布。实测涵顶压力约为填土自重应力的1.56~3.02倍,使用现行公路桥涵规范设计高填方盖板涵偏于危险。